风力发电系统中储能技术应用探析

2024-03-08中电建新能源集团股份有限公司新疆分公司姚文成

电力设备管理 2024年2期

中电建新能源集团股份有限公司新疆分公司徐斌姚文成

1 储能技术概述

1.1 储能技术的分类

储能技术是指将能量转换成方便存储和能随时使用的物质或形式的技术手段，以便在有需要时进行恢复和利用。根据储能装置的能量存储方式不同，储能技术可以分为四大类：机械储能技术、电化学储能技术、热储能技术和电磁储能技术。机械储能技术将能量转换成机械动能存储，主要应用于风力发电系统中的飞轮和重物储能技术。飞轮储能技术运用惯性原理，通过高速旋转的大质量飞轮储存机械能，实现能量存储，其原理如图1所示。

图1 飞轮储能技术

重物储能技术利用重物受重力作用具有的一定的位能，将抬升起来的物体缓慢下降，释放能量。机械储能技术具有高效、可靠、使用寿命长等优点。电化学储能技术包括蓄电池、超级电容器等，通过化学反应将能量存储在化学键中，具有存储密度高、响应速度快等优点。热储能技术主要指储存热能的技术，如熔融盐储存系统和压缩热空气储能系统等，应用于风力发电系统中可以将风能储存成热能存储，再利用锅炉等设备转化为电能。电磁储能技术通过电磁感应实现能量的转换和储存，最常见的应用是电感电容式无功补偿器。各种储能技术各有特点，应用于不同的领域和场合，有效提高了能源利用效率。

1.2 储能技术的优势和劣势

储能技术作为可再生能源发电的重要辅助措施，在风力发电系统中具有广泛的应用前景。其优势包括：提高可再生能源利用率，通过储存余留的电能达到平稳供电的目的，增加电网稳定性，减少系统波动，节约成本，降低燃料消耗和配电网建设成本，环境友好，降低污染物排放和对环境的影响。然而，储能技术也存在一些劣势：储能成本高，影响其在风力发电系统中的应用；机械储能技术需要巨型机械设备占据大面积，影响其使用；每次能量储存和释放都存在一定能量损失。总的来说，储能技术的优势远大于其劣势，并且有着越来越广泛的应用前景。随着技术的不断进步和发展，相信储能技术的成本、体积重量和能量损失等问题都能得到进一步解决，为风力发电系统的可持续发展提供更为可靠且环保的方案。

1.3 储能技术的应用领域

储能技术是重要的能源储存和转换技术，可以广泛应用于不同领域。在电力系统中，可实现电力负荷平衡，提高电力供应的稳定性和可靠性，特别是在可再生能源发电系统中，可以实现平稳供电，并减少对化石燃料的依赖。

在交通运输中，可提高电动汽车的驱动性能和行驶距离。在家庭和商业用电中，可削峰填谷，减少使用成本和降低电网压力。在航天领域，能够高效运行，满足太空任务的要求。不仅能提高能源利用效率，减少排放和成本，缓解能源压力，还能实现可持续发展。储能技术在未来的发展中具有广阔的应用前景与重大意义。

2 风力发电系统储能技术应用现状

2.1 风能储能技术种类

风能储能技术有四种类型：机械储能、电化学储能、压缩空气储能和热储能系统。不同的技术根据应用场景和需求有着各自的局限性和缺陷。例如，机械储能系统和液压储能具有易于控制和维护的优势，但同时存在重物重量过大和液体漏出的风险。电化学储能系统包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等，这些电池以其高效、环保、储存能力和输出功率较高的特点，在储存不稳定风能的同时，具有较高的储存能力和输出功率。压缩空气储能系统可以在地下建立大规模储气库，但需要高压气体和大规模的储存设施。热储能系统在储存能量上更为持久，适用于长期储能的需求，但需要较高的温度和压力控制。

各种技术在不同的场景和需求中均有应用。风能储能技术在可再生能源和能源转换领域中有着巨大的潜力和优势，未来具有非常广阔的发展前景。

2.2 风力发电储能系统构成

风力发电系统的储能技术可以为电网输送高质量的电力而储存不稳定的风能。储能系统主要由储能设备、控制系统和转换设备三部分构成。储能设备是风力发电储能系统的核心，不同的储能技术应用不同的储能设备。例如，机械储能系统采用高速旋转飞轮、千斤顶和弹簧等设备；电化学储能系统采用锂离子电池、钠氯电池和铅酸电池等，其原理如图2所示。

图2 电化学储能

压缩空气储能系统包括压缩机、压缩机/发电机和储气罐等设备；热储能系统则主要利用储热罐和热储存材料。控制系统用于控制储能设备的充电和放电过程，保证风能的高效收集和利用。同时，控制系统应该具备实时监测储能设备状态、维护和管理系统的功能，以保证储能系统的运行安全和可靠性。

此外，控制系统也应该与电网有良好的协调，就能量调度、储能时间、储能容量等方面展开合理的策略。转换设备则是储能系统与电网之间的核心联系。储能系统通过转换设备将储存的能量转化为电能并逆向流入电网。这些转换设备包括逆变器、变电站和电力电子装置等。不同的储能技术所采用的转换设备也不相同。

2.3 风力发电储能系统的运行方式

风力发电储能系统的运行方式往往取决于所采用的储能技术和具体的应用场景。一般而言，风力发电系统储能技术的运行方式主要有两种：闲置模式和备用模式。闲置模式是指风力发电储能系统在储能设备充满后，将风力发电机与电网断开连接，将其投入闲置模式。

当电网负荷达到峰值时，闲置模式下的储能系统通过反向运动，将存储的能量重新注入电网，以满足峰值负荷需求。闲置模式的优势在于系统能够快速响应电网的变化，缓解峰值负荷对电网的影响。

备用模式是指风力发电储能系统在储能设备充满后，风力发电机继续提供电网接口服务，同时将多余的能量存储下来，为电网的备用服务提供支持。当电网需求增加时，备用模式下的储能系统就能够立即投入运行，释放所存储的能量。此外，还有一些比较特殊的运行方式，例如在线运行模式、自治运行模式等，这些运行方式多适用于小型风力发电系统或者是场所电网独立的系统。综上所述，风力发电储能系统的运行方式必须根据实际的应用场景和技术特点来选择和设计，以最大程度地提高系统的可靠性和利用效率。

3 风力发电储能系统的关键技术

3.1 储能设备的选用

在风力发电储能系统中，选用合适的储能设备非常重要，因为储能设备是系统中储存和释放能量的关键。不同的储能技术适用于不同的场景和需求，需要根据实际情况选择适合的储能设备。

另外，与RJ版教科书有理数例题中的卡通插图相比，CM教科书有理数例题中的插图均为实景图，相对而言更加贴近生活．

机械储能系统主要包括高速旋转飞轮、液压千斤顶和液压弹簧等设备，具有系统起动速度快、响应时间短和温度波动小的优点，但同时也存在成本较高、能量密度低和占地面积大的缺点。电化学储能系统则采用锂离子电池、纳米磷酸铁锂电池等，这些电池具有能量密度高、重量轻、寿命长、环保等优点。但受制于材料特性和成本等因素，其能量密度不高，其充电速度较慢、安全性以及循环寿命等均需加以考虑。压缩空气储能系统的储能设备由压缩机、压缩机/发电机和储气罐组成，具有高能量密度、长寿命、环保节能等优点。

然而，其系统的成本和效率问题需要加以控制。热储能系统则主要利用储热罐和热储存材料，其优点在于可以更长时间地储存能量，可以满足冬季等寒冷气候的需求。但受制于材料的特性和温度控制等因素，热储能系统还需进一步完善。

3.2 控制系统的设计

风力发电储能系统的控制系统是保证系统高效、安全、可靠的关键组成部分。设计应充分考虑储能技术特点和应用场景需求，如机械、电化学、压缩空气和热储能系统，实现快速充放电、电池管理、储气罐动态管理和温度压力稳定等功能，建立监测、调度和管理等基础设施以保证系统完整性和健壮性。

3.3 储能系统的优化控制策略

为了实现风力发电储能系统的优化控制，需要采用合适的控制策略，以确保储能系统的高效率和可靠性。常见的优化控制策略包括储能容量的控制策略、电网功率平衡策略和储能时间的优化策略等。储能容量控制策略根据风力发电机的输出功率来调整储能设备的充电和放电状态，实现储能容量的最大化，提升其经济性和可靠性。

电网功率平衡策略根据负荷需求和储能容量调节发电机输出功率，使储能系统输入或输出储能，保持能量平衡和稳定性。储能时间的优化则通过控制充放电时间，提高储能系统的利用效率，以适应不同气候和地理需求。

综合三种策略，可不断提高储能系统经济性、可靠性和安全性，当前自适应能量管理技术越来越被倡导，通过自适应性储能控制，实现能量更加高效地储存、输送和调节，以实现最佳效益。

4 风力发电储能系统的发展趋势

随着可再生能源的快速发展，风力发电系统在全球范围内得到了广泛地推广和应用。储能技术作为风力发电系统的重要组成部分，随着技术的不断发展和应用需求的不断增加，也在不断地向着更加高效、稳定和安全的方向发展。

未来，风力发电储能系统的技术发展方向主要包括优化现有的储能技术以提高储存能量和循环寿命，并加强储能系统的安全性；推广和应用更智能化的电力传输和控制系统，以提高储能系统的安全性和运行效率；研发多能源储能系统，将风力发电、太阳能发电、水力发电等多种可再生能源储存在同一储能系统中，以便更好地满足能源开发和应用的需求。

此外，政策环境也是风力发电储能系统发展的重要因素。各国政府出台的鼓励清洁能源发展的政策和措施，将进一步促进风力发电储能系统的应用和推广。总之，风力发电储能系统在未来的发展中仍有着广阔的发展前景和应用前景。